基于ARM7單片機的國產500 kW發射機控制系統設計

羅天涯

摘 要：隨著計算機技術和集成電路的不斷發展，基于32位ARM微處理器的嵌入式系統對各行各業自動化發展產生了越來越重大的影響；近幾年來研制的國產500 kW發射機選用了ARM單片機作為嵌入式系統的微處理器進行自動控制系統的設計開發。該文主要介紹了基于ARM7單片機設計開發的DF500A型國產500 kW發射機自動控制系統硬件架構和主要功能，簡單介紹了ARM7芯片LPC2388的基本功能，分模塊地介紹了該機型自動控制系統核心部分ARM1通信控制板、ARM2調諧控制板的通信任務及軟件設計思路。

關鍵詞：國產發射機 ARM7單片機 控制系統 通信任務 軟件設計

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）02（a）-0030-03

DF500A型國產500 kW短波發射機是由北京北廣科技股份有限公司研制生產的，整機由射頻系統、調制器系統、電源系統、控制系統、冷卻系統組成。控制系統主要由四部分構成：上位機人機交互自動控制系統，邏輯控制系統，調諧控制系統，燈絲控制系統。自動控制系統作為發射機的標準配置，采用了CPCD+ARM+工業控制計算機等技術開臺同步自主開發，其中由ARM單片機作為核心處理器的自動控制系統是現今比較流行，使用最廣泛也是最先進的嵌入式系統，嵌入式系統具有運算處理能力強，與PC通信方便、成本低，針對應用優化設計、用戶使用方便等方面的優勢。DF500A型500 kW發射機按照行業自動化技術規范的要求開發出來的自動控制系統完全實現了發射機自動開關機，自動調諧，故障診斷，網絡管理，遠程監控等諸多功能。

1 基于ARM7單片機的發射機自動控制系統總體結構設計及功能說明

1.1 發射機自動控制系統總體結構設計介紹

DF500A型國產500 kW短波發射機的核心控制系統主要由ARM7單片機系列的芯片LPC2388為核心處理器組成的。LPC2388芯片是Philis公司生產的基于實時仿真的32位ARM7TDMI-S微處理器，適用于為了各種需要而進行通訊的應用。它包含了4個UART、1個SPI、2個同步串行端口（SSP）、3個I2C接口、2路CAN通道、1個I2S接口、10/100Ethernet MAC、USB2.0等接口并支持OTG等功能。LPC2388具有高達512 K的Flash存儲器和96K的SRAM。Flash在ARM的局部總線上，能夠進行高性能的CPU訪問：有兩個AHB系統，可以同步進行Ethernet DMA、USB DMA和片內Flash執行程序；先進的中斷向量控制器，可以支持多大32個中斷，還具有通用定時器、RTC、看門狗等功能模塊。LPC2388的工作電壓一般3.0～3.6 V，有空閑、睡眠、掉電和深度掉電等四個低功耗模式；內部有4 MHz的RC振蕩器，還選擇作為系統時鐘，片內PLL可使系統時鐘最高工作在72 MHz；封裝在LQFP144。以上這些特點使它非常適合工業控制等領域。

DF500A型國產500 kW短波發射機的自動控制系統硬件架構主要包括通信控制板（ARM1）、調諧控制板（ARM2）、邏輯控制器、上位機組成，整機的自動控制系統架構如圖1所示。

ARM1通信控制板主要功能是負責與上位機、ARM2、CPLD進行通信，協調控制發射機開關機、調諧以及狀態信息、報警信息的及時上傳。ARM2調諧控制板主要是負責調諧，接收ARM1發送的調諧命令，上傳通過A/D轉換獲取的狀態信息，以及通過D/A接口控制發射機進行調諧；同時，ARM2可通過顯示器及鍵盤實現手動微調馬達。

1.2 發射機自動控制系統控制板功能說明

1.2.1母板

母板負責鏈接ADC模/數轉換板、DAC數/模轉換板、通信控制板ARM1、調諧控制板ARM2和通信接口板，進行各個電路板之間信號的鏈接和轉換。

1.2.2ADC模/數轉換板

ADC電路板行主要由兩個多路選擇開關（ADG40）和一個AD轉換芯片（AD7233）及其外圍電路組成，并且整個控制系統的電源（+24V）從該板輸入。功能是把十三路馬達位置數據和各種表值數據的模擬數據轉換成數字量送給調諧板ARM2。

1.2.3DAC數/模轉換板

DAC電路板主要由兩個DA轉換芯片（AD7839）及其外圍電路組成。功能是把調諧控制板AMR2傳送過來的13路馬達控制信號由數字量轉換成模擬量去控制13路電機，并且激勵器的控制從該板輸出。

1.2.4通信接口板

通信接口板功能是負責控制板和外圍設備的接口，光耦隔離進行電平轉換，驅動外圍設備。X2是邏輯控制的接口，X6是波段控制的接口。

1.2.5通信控制板ARM1

通信控制板ARM1主要由ARM7芯片LPC2388和iPort模塊組成，主要負責與上位機通信、調諧控制板ARM2通信和一些邏輯控制功能。通信控制板ARM1實現的邏輯功能有關機、黑燈絲、紅燈絲、高壓合、高壓斷、復位、快速燈絲、封鎖音周、封鎖PSM指令。

1.2.6調諧控制板ARM2

調諧控制板ARM2主要由ARM7芯片LPC2388和液晶顯示模塊組成，主要是負責調諧控制、與邏輯控制器通信、與通信控制板ARM1通信、液晶顯示、指示燈和一些邏輯控制功能。調諧控制板ARM2實現的邏輯功能有高功率、低功率、升功率、降功率和啟動調諧。

1.2.7邏輯控制器

邏輯控制器主要采用兩片EPM7512EAQI208作為核心處理器（一片負責所有的邏輯控制，一片負責與上位機通信），輸入接口電路、輸出接口電路、狀態指示燈電路作為外部接口電路。它主要完成如下三方面的功能：一、實時采樣。控制器系統實時采樣一百多路發射機風路、水路、燈絲、高壓、馬達等各個節點的狀態量，并通過RS232串行通信方式上傳至上位機。二、故障處理。控制器系統通過采樣到的狀態量分析發射機的運行狀況，并采取相應保護措施。三、控制命令處理。操作人員可以通過上位機控制或手動按鍵控制實現整個發射機的過程控制

2 ARM7單片機的發射機自動控制系統軟件設計思想

2.1 通信控制板ARM1的軟件設計介紹

單片機ARM1主要負責與上位機通信，它的通信任務包括：接收上位機發送的控制命令；上傳ARM2及CPLD的狀態信息；上傳命令執行過程中的日志信息。單片機ARM1與上位機的通信采用UART3串行接口模塊實現。

通信控制板ARM1設計思想如下。

（1）LED指示工作狀態，1Hz頻率閃爍。

（2）為每個通訊設計一個單獨任務，用于上發和下傳指令。

（3）關機、開機、調諧三個獨立的任務用于實現控制邏輯。

（4）掃描運行圖任務，根據本地運行圖自動觸發運行時間，給調諧任務發送信號量。

（5）上傳狀態信息任務，該任務每隔2 s向PC端發送最新的CPLD狀態信息和ARM2讀取的狀態信息。

2.2 調諧控制板ARM2的軟件設計介紹

單片機ARM2主要負責發射機的調諧控制，以串口中斷方式實時從UART1獲得ARM1發送的消息，如果是ARM1的58字節狀態信息，則更新ARM2中保持的ARM1狀態，如果是粗調完成、前級調諧完成或者是末級調諧完成命令，則發送相應的信號量給調